Розрахунок тягових та регулювальних характеристик асинхронного електроприводу електровозу ЧС-7

Зміст Вихідні дані

1. Вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода для заданого типу локомотива

2. Вибір та обґрунтування схеми автономного інвертора напруги

3. Розрахунок струму статора для зон регулювання

4. Розрахунок першої зони — зони пуску, заданому закону регулювання

5. Розрахунок другої зони — зони постійної потужності

Список використаних джерел Вихідні данні

Тип локомотива — ЧС-7

Тип — ТАДНБ607

Конструкційний коефіцієнт — С1201

Число фаз — m3

Кількість полюсів — 2р6

Потужність — Р, кВт750

Струм — І_н, А515

Пусковий струм — І_п690

Базова частота — f_1н, Гц51,5

Частота ковзання — f_2н, Гц0,511

Коефіцієнт потужності - cosц₁ 0,85

Активний опір статора — r_1Н, Ом0,016

Активний опір ротора, приведений до опору статора — r'_2н, Ом0,016

Реактивний опір розсіювання статора — х_1н, Ом 0,11

Реактивний опір розсіювання ротора, приведений до опору статора — х'_2н, Ом0,188

Частота обертання — n, об/хв1045

ККД — з, в. о0,94

Напруга на виході інвертораU_d.В1500

1. Вибір та обґрунтування силової схеми тягового електропривода Силова схема тягового електроприводу повинна забезпечувати роботу АТД в режимах тяги та електричного рекуперативного, реостатного або рекуперативно-реостатного гальмування у всьому діапазоні змінення швидкості руху. При цьому перехід від одного режиму роботи до іншого не повинен супроводжуватися скачкоподібними змінами сил, які діють на потяг.

Для можливості реалізації тяговим двигуном любої характеристики в областях, обмежених граничними тягової і гальмівної характеристиками, перетворювач повинен забезпечувати незалежне регулювання частоти струму статора АТД в діапазоні від 0,5−1,0 Гц до 100−150 Гц і амплітуди першої гармоніки напруги на обмотках двигуна від мінімальної, з урахуванням компенсації падіння напруги на обмотках статора, до максимальної рівній або які перевищує номінальну напругу на статорі.

Отже, вибираємо силову схему з імпульсним перетворювачем знижуючого типу, трифазними мостовим інвертором, який живить два паралельно ввімкнені асинхронні тягові двигуни. Цим досягаємо напруги 3 кВ на кожному з візків та 1,5 кВ на кожен з однофазних мостових інверторів, отже і на ізольованих обмотках статора.

В залежності від технічних параметрів напівпровідникових приладів які застосовуються в якості вхідного і вихідного перетворювачів можна використовувати АІН з широтно-імпульсною модуляцією В даному випадку вихідна напруга регулюється внутрішніми засобами інвертора шляхом багатократного включення і виключення ключів інвертора за один період вихідної напруги.

2. Вибір та обґрунтування схеми автономного інвертора напруги Автономні інвертори напруги (АІН), перетворювачі постійної напруги в змінну, отримали широке розповсюдження в тяговому і промисловому частотно-регульованому електроприводі з асинхронними двигунами. АІН формують на виході змінну напругу заданої прямокутно-східчастої форми, а форма кривої струму визначається властивостями навантаження.

Досягнення високих динамічних показників привода вимагають, щоб швидкодія перетворювачів була на порядок більше, ніж швидкість протікання електромагнітних процесів в АТД, а для реалізації граничних по умовам зчеплення коліс з рейками сил тяги (гальмування) перетворювач повинен витримувати короткочасні перенавантаження по струму.

Перетворення параметрів електричної енергії напівпровідниковими перетворювачами відбувається в результаті швидких, практично миттєвих переключень в електричному ланцюзі. Це приводе до того, що форми струмів і напруг на виході перетворювача можуть значно відрізнятися від синусоїдальних.

Враховуючи складність АІН для АТД і обмежений об'єм для їх розміщення на ЕРС, до основних елементів повинні пред’являтися підвищені вимоги, особливо в частині массо-габаритних показників і втрат потужності. Кращі результати можуть бути отримані при використанні тиристорів і діодів з такими параметрами по струму і напрузі, які дозволяють застосовувати в плечі АІН один напівпровідниковий прилад.

Тяговий електропривод з трифазним асинхронним електродвигуном, у тому числі і частотно-управляючі, не отримали поки практичного застосування. Найбільш раціональна система живлення трьохфазного асинхронного двигуна будується на онові трьохфазних мостових інверторів на керуючих тиристорах.

3. Розрахунок струму статора для трьох зон регулювання Розрахунок номінального значення електрорухомої сили ротора

E_1н=С₁ Ф_н f_1н,(3.1)

де С₁ - постійна конструкційна машини;

Ф_н - номінальний магнітний потік;

f_1н — номінальна частота струму статора (базова частота).

E_1н= В.

Розрахунок номінального значення індуктивного опору:

(3.2)

де І₀ — струм намагнічування.

А.

Розрахунок передаточного коефіцієнта,

(3.3)

Ом.

Розрахунок величини фазного струму статора

(3.4), .

Результати розрахунків заносимо в таблицю 1 та будуємо графіки наступних залежностей: Ф_Н =f (E_1H); Ф_Н =f (k₁₎; Ф_Н =f (X_0H); Ф_Н =f (І₀₎; а також графік залежності Ф_Н =f (I₁₎; та її апроксимацію.

Таблиця 1

Розрахунок струму статора

Рисунок 1 — Залежність магнітного потоку від передаточного коефіцієнту Рисунок 2 — Залежність магнітного потоку від значення електрорухомої сили ротора Рисунок 3 — Залежність магнітного потоку від струму намагнічування Рисунок 4 — Залежність струму від індуктивного опору

4. Розрахунок першої зони — зони пуску, заданому закону регулювання

І₁ = 690 А,, Ф = const, = const.(4.1)

Початкові умови розрахунку в І зоні

V = 0 км/ч, = ,(4.2)

деV — швидкість руху електропоїзда;

— параметр абсолютного ковзання (відносна частота струму ротора);

a — відносна частота струму статора.

.(4.3)

Кінцеві умови розрахунку в І зоні

P = P_max; U₁ = U_1ном; V = V_1,(4.4)

деP — активна потужність на вході двигуна;

P_max - максимальна активна потужність на вході двигуна;

V₁ - швидкість електровоза в кінці І зони;

U_1ном — номінальна напруга на вході випрямляча.

Розрахунок коєфіцієнтів розсіювання

;(4.5)

;(4.6)

(4.7)

Де X₁ — індуктивний опір статора;

Х₂ — приведений індуктивний опір ротора;

Величину Х_0Н отримуємо для заданого значення І₁ із побудованих в 2.5 графіків.

Розрахунок параметра абсолютного ковзання

;(4.8)

де — приведений активний опір ротора;

Величину k₁ отримуємо для заданого значення І₁ із побудованих в 2.5.5 графіків, Розрахунок пускової потужності

;(4.9)

де m₁ — кількість фаз машини;

r₁ — активний опір статора;

C () — проміжна величина:

(4.10)

кВт.

електропривід пусковий фазний струм Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в першій зоні

; (4.11)

де P — приріст потужності;

n — кількість точок розрахунку, n 10,

(кВт).

Розрахунок відносної частоти статора

(4.12)

де Р_і — поточне значення активної потужності, підведеної до ТАД;

(4.13)

кВт, Розрахунок частоти струму статора

f₁ = f_1H ;(4.14)

Гц.

Розрахунок частоти струму ротора

f₂ = f_1H;(4.15)

Гц.

Розрахунок електромагнітнго моменту двигуна

(4.16)

де _1Н — синхронна швидкість при номінальній частоті;

;(4.17)

де р — кількість пар полюсів двигуна, p=3;

рад/с, Н· м.

Розрахунок тягового зусилля електровоза

(4.18)

де — передаточне число тягового редуктора, =1,733;

n_дв — кількість тягових двигунів, n_дв=8;

_ред — ККД тягового редуктора, _ред=0,99;

D_k — діаметр колеса, D_k= мм.

кH

Розрахунок кутової швидкості ротора

(4.19)

рад/с.

Розрахунок швидкості руху електропоїзда

(4.20)

км/ч.

Розрахунок приведене значення електрорухомої сили ротора

(4.21)

В.

Розрахунок напруги статора

;(4.22)

де А (,) — проміжна величина.

(4.23)

(4.24)

(4.25)

(4.26)

(4.27)

Ом^2,

В.

Розрахунок коефіцієнт потужності двигуна

(4.28)

Розрахунок струму кола постійної напруги

(4.29)

Де _И — ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, _И =0,98.

А

Розрахунок напруги в колі постійної напруги

(4.30)

В

Розрахунки першої зони ведуться за данною методикою, збільшуючи потужність на величину ДР, доки потужність не досягне максимального значення, тобто Р_max=750 кВт. Результати розрахунків заносимо в таблицю 2.

Таблиця 2

Розрахунок першої зони регулювання. І₁ =690 А,

5. Розрахунок другої зони — зони постійної потужності

P = P_max = 750 кВт, Ф = k₁ I₁; (5.1)

Початкові умови розрахунку в другій зоні

V = V₁ =77,283 км/год (5.2)

Ф_1к = Ф_ІІн =0,0754 Вб

де Ф_1к — величина магнітного потоку в кінці першої зони регулювання;

Ф_ІІн — величина магнітного потоку на початку другої зони регулювання.

Кінцеві умови розрахунку в другій зоні

U₁ = U_1мax=; (5.3)

U₁= В

Де U_dmax=1500 В — максимальне значення діючої напруги статора U_dmax=1500 В.

Визначення кроку розрахунку тягових характеристик в другій зоні

(5.4)

Де Ф_ІІк — величина магнітного потоку в кінці другої зони регулювання, приймаемо Ф_ІІк = Ф_min=0,0291Вб — із кривої намагнічування ТАД;

n — кількість точок розрахунку, n 10.

Вб Визначення поточного значення магнітного потоку

(5.5)

де j — номер кроку розрахунку, j = 0,1,2…, n.

Вб.

Розрахунок поточного значення фазного струму двигуна

(5.6)

Величину k₁ отримуємо для поточного значення Ф_j із побудованих в 3.3 графіків.

A

Розрахунок коефіцієнтів розсіяння виконуємо по формулам (4.5),(4.6),(4.7).Величину Х_0Н отримуємо із графіків побудованих в 3.3 для поточного значення магнітного потоку Ф_j.

;

;

Розрахунок абсолютного ковзання визначити по формулі (4.8)

.

Розрахунок відносної частоти статора.

;(5.7)

де_j — поточне значення абсолютного ковзання;

С_j() — поточне значення проміжної величини розрахувати по формулі (4.10).

Розрахунок частоти струму статора по формулі (4.14).

f₁ = f_1H ,

Гц Розрахунок частоти струму ротора по формулі (4.15).

f₂ = f_1H,

Гц.

Розрахунок eлектромагнітного моменту двигуна.

; (5.8)

Нм Тягове зусилля електропоїзда розрахуємо по формулі (4.18).

;

кН.

Розрахунок кутової швидкості ротора по формулі (4.19).

;

рад/с.

Швидкість руху електропоїзда розрахуємо по формулі (4.20).

км/ч.

Приведене значення електрорухомої сили ротора визначаємо по формулі (4.21).

В.

Напругу статора визначити по формулі (4.22).

де А (,) — проміжна величина.

(В).

Розрахунок коефіцієнта потужності двигуна.

(5.9)

.

Розрахунок напруги в колі постійної напруги.

; (5.10)

В.

Розрахунок струму в колі постійної напруги визначити по формулі (4.29)

де_И — ККД інвертора, який враховує тільки втрати в колі головних резисторів, _И=0,98.

А.

Контроль величини напруги Розрахунок другої зони регулювання ведеться до величини:

U_dmax — U_d U_dmax + ;(5.11)

Де = 1В — похибка розрахунку напруги.

1500−1 ?1110,342? 1500+1.

Окрім умови (47) повинні виконуватись наступні умови:

V V_max, (5.20)

де V_max — максимально допустима швидкість 87,04<160.

Розрахунки другої зони ведуться за данною методикою доки виконуються умови (5.11) та (5.12), поступово зменшуючи магнітний потік на величину ДФ. Результати розрахунків заносимо в таблицю 3.

По значенням таблиць 2,3 побудуємо графіки наступних залежностей:

cos (ц) = f (V);

f₂ = f (V);

P₁ = f (V); F = f (V);

U₁ = f (V); U_d = f (V);

I₁ = f (V); I_d = f (V).

Таблиця 3

Розрахунок другої зони регулювання. P₁ = 750 000 Вт, Ф = k₁ I₁

Рисунок 5 — Розрахункова залежність cos (ц) = f (V)

Рисунок 6 — Розрахункова залежність f₂ = f (V)

Рисунок 7 — Розрахункова залежність P₁ = f (V)

Рисунок 8 — Розрахункова залежність F = f (V)

Рисунок 9 — Розрахункова залежність U₁ = f (V); U_d = f (V)

Рисунок 10 — Розрахункова залежність I₁ = f (V); I_d = f (V)

Перелік використаної літератури

1. «Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення ДСТУ 3008−95». — Київ.: Держстандарт України, 1995. — 36 с.

2. Коновалов Є.В. Студентська навчальна звітність: Графічні конструкторські документи. Загальні вимоги до побудови, викладання та оформлення: Методичний посібник з додержанням вимог нормоконтролю (нормативних документів) у студентській навчальній звітності. Розділ 2. — Х.: УкрДАЗТ, 2006. — 34с.

3. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Н. А. Ротанов, А. С. Курбасов, В. В. Литовченко, Ю. Г. Быков, 1991. 336с.

4. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М. И. Озеров; Под ред. И. П. Исаева. — М.: Транспорт, 1995. — 294 с.

5. Сандлер А. С. и Сарбатов Р. С. Частотное управление асинхронними двигателями. — М.- Л.: издательство «Энергия», 1966. — 144 с.

6. Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов / А. Д. Степанов, В. И. Андерс, В. А. Пречисский, Ю. И. Гусевский. — М.: Транспорт, 1982. — 254 с.